(57)【要約】【課題】ガリウム、砒素および窒素をIII−Ｖ化合物から成る半導体層を有する活性領域の歪みを調整可能な構造を有する半導体光素子が提供される。【解決手段】半導体光素子１１では、第１のクラッド層１５は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成り、また基板１３上に設けられている。第２のクラッド層１７は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体から成る。活性領域１９は、第１のクラッド層１５と第２のクラッド層１７との間に設けられている。活性領域１９は、ガリウム、砒素及び窒素をIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層２１を有する。第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体は、基板１３と第１のクラッド層１５との界面において、ＧａＡｓ半導体に格子整合する。第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体は、活性領域１９と第１のクラッド層１５との界面で、第１のIII−Ｖ化合物半導体に格子整合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ半導体領域上に設けられており第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第１のクラッド層と、
第２導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第２のクラッド層と、
ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を有しており、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性領域と
を備え、
前記第１のクラッド層は、前記第１のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、
前記第１のクラッド層は、前記活性領域と前記第１のクラッド層との第１の界面において前記第１のIII−Ｖ化合物半導体に格子整合しており、前記第１の界面と反対側の第２の界面においてＧａＡｓ半導体に格子整合しており、
前記第１のクラッド層では、前記第１の界面における格子定数は、前記第２の界面における格子定数と異なる、ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記第１のクラッド層は、前記第１のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に連続的に増加している領域を有する、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体光素子。
【請求項３】
前記第１のクラッド層は、前記第１のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に段階的に増加している領域を有する、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体光素子。
【請求項４】
交互に積層された第１および第２の半導体層を含む第１のＤＢＲ部と、
交互に積層された第３および第４の半導体層を含む第２のＤＢＲ部と
を更に備え、
前記第１のクラッド層、前記活性領域および前記第２のクラッド層は、前記第１のＤＢＲ部と前記第２のＤＢＲ部との間に位置しており、
前記第２のクラッド層は、前記第２のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、
前記第２のクラッド層の格子定数は、前記活性領域と前記第２のクラッド層との第３の界面において前記第１のIII−Ｖ化合物半導体に格子整合しており、前記第３の界面と反対側の第４の界面においてＧａＡｓ半導体に格子整合しており、
前記第２のクラッド層では、前記第３の界面における格子定数は、前記第４の界面における格子定数と異なる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された半導体光素子。
【請求項５】
前記第２のクラッド層は、前記第２のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に連続的に減少している領域を有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された半導体光素子。
【請求項６】
前記第２のクラッド層は、前記第２のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に段階的に減少している領域を有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された半導体光素子。
【請求項７】
ＧａＡｓ半導体領域上に設けられており第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第１のクラッド層と、
第２導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第２のクラッド層と、
ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を有しており、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性領域と
を備え、
前記第１のクラッド層は、前記第１のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、
前記第１のクラッド層では、前記活性領域と前記第１のクラッド層との第１の界面における格子定数は、前記第１の界面と反対側の第２の界面における格子定数と異なっており、
前記第１のクラッド層は、前記第２の界面において、ＧａＡｓ半導体に格子整合する、ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項８】
交互に積層された第１および第２の半導体層を含む第１のＤＢＲ部と、
交互に積層された第３および第４の半導体層を含む第２のＤＢＲ部と
を更に備え、
前記第１のクラッド層、前記活性領域および前記第２のクラッド層は、前記第１のＤＢＲ部と前記第２のＤＢＲ部との間に位置しており、
前記第２のクラッド層は、前記第２のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、
前記第２のクラッド層では、前記活性領域と前記第２のクラッド層との第３の界面における格子定数は、前記第３の界面と反対側の第４の界面における格子定数と異なっており、
前記第２のクラッド層は、前記第４の界面において、ＧａＡｓ半導体に格子整合する、ことを特徴とする請求項７に記載された半導体光素子。
【請求項９】
前記活性領域の前記半導体層は井戸層であり、
前記活性領域は障壁層を含み、
前記井戸層の半導体の格子定数は前記障壁層の半導体の格子定数と実質的に等しい、ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載された半導体光素子。
【請求項１０】
前記第１のクラッド層は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層およびＧａＡｓＳｂ半導体層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載された半導体光素子。
【請求項１１】
前記第２のクラッド層は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層およびＧａＡｓＳｂ半導体層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載された半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＩｎＮＡｓ半導体を用いる半導体レーザが記載されている。非特許文献２には、ＧａＩｎＮＡｓを用いた活性層の格子整合に関することが記載されている。
【非特許文献１】M. Kondow, et al., Jpn. J. Appl. Phys.,38 (1999) 1355
【非特許文献２】L. F. Bian, et al., J. Crystal Growth,250 (2003) 339-344 」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＧａＩｎＮＡｓ半導体の格子定数はＧａＡｓ半導体の格子定数と等しくない場合、ＧａＩｎＮＡｓ層とＧａＡｓ層の界面に歪が生じる。例えば、１．３μｍ波長帯用の活性層として、多くの場合３０％のインジウム組成および１％の窒素組成のＧａＩｎＮＡｓ半導体が用いた場合、ＧａＩｎＮＡｓ半導体の格子不整合度は２％程度である。そこで、ＧａＡｓ基板上に活性層（井戸層および障壁層）のＧａＩｎＮＡｓ井戸層を成長して半導体素子を作製するとき、「歪み補償」を導入する場合がある。しかし、この歪み補償では、活性層の平均の歪みをゼロとする。歪み補償のために、障壁層は、井戸層および障壁層の平均の歪みがゼロとなるような材料を用いて作製される。歪み補償を導入した活性層では井戸層と障壁層との間で、各層に対して引張歪みおよび圧縮歪みのいずれかが生じている。これ故に、ＧａＩｎＮＡｓ結晶の結晶品質を向上させることが容易ではない。さらに一方、活性層に従来によりも大きな歪みを導入するという要求もある。
【０００４】
本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体層を有する活性領域の歪みを調整可能な構造を有する半導体光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面によれば、半導体光素子は、（ａ）ＧａＡｓ半導体領域上に設けられており第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第１のクラッド層と、（ｂ）第２導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第２のクラッド層と、（ｃ）ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を有しており、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性領域とを備え、前記第１のクラッド層は、その格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、前記第１のクラッド層は、前記活性領域と前記第１のクラッド層との第１の界面において、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体に格子整合しており、前記第１の界面と反対側の第２の界面において、ＧａＡｓ半導体に格子整合しており、前記第１のクラッド層では、前記第１の界面における格子定数は、前記第２の界面における格子定数と異なる。
【０００６】
この半導体光素子によれば、活性領域と第１のクラッド層との第１の界面における第１導電型半導体の格子定数が、第２の界面における第１導電型半導体の格子定数と異なるでの、ＧａＡｓ半導体の格子定数から独立して活性領域の歪みを設定できる。これ故に、第１のクラッド層の格子定数を変化させて、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体に加わる歪みを低減できる。
【０００７】
本発明に係る半導体光素子では、前記第１のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に連続的に増加している領域を有することが好ましい。或いは、本発明に係る半導体光素子では、前記第１のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に段階的に増加している領域を有することが好ましい。この半導体光素子によれば、第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体領域から活性領域へ向かう方向に段階的に或いは連続的に増加しているので、活性領域の半導体層の歪みが低減される。
【０００８】
本発明に係る半導体光素子は、（ｄ）交互に積層された第１および第２の半導体層を含む第１のＤＢＲ部と、（ｅ）交互に積層された第３および第４の半導体層を含む第２のＤＢＲ部とを更に備え、前記第１のクラッド層、前記活性領域および前記第２のクラッド層は、前記第１のＤＢＲ部と前記第２のＤＢＲ部との間に位置しており、前記第２のクラッド層は、その格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、前記第２のクラッド層の格子定数は、前記活性領域と前記第２のクラッド層との第３の界面において、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体に格子整合しており、前記第３の界面と反対側の第４の界面において、ＧａＡｓ半導体に整合する格子定数を有しており、前記第２のクラッド層では、前記第３の界面における格子定数は、前記第４の界面における格子定数と異なる。
【０００９】
この半導体光素子によれば、活性領域と第１のクラッド層との第１の界面における第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が、第２の界面における第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なる。また、第３の界面における第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が、第４の界面における第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なる。これ故に、ＧａＡｓ半導体の格子定数から独立して活性領域の歪みを設定できるので、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体に加わる歪みを低減できる。なお、好適には、第２のクラッド層の第２導電型III−Ｖ化合物半導体は、第４の界面において、ＧａＡｓ半導体の格子定数に整合する格子定数を有する。
【００１０】
本発明の一側面によれば、半導体光素子は、（ａ）ＧａＡｓ半導体領域上に設けられており第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第１のクラッド層と、（ｂ）第２導電型III−Ｖ化合物半導体から成る第２のクラッド層と、（ｃ）ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を有しており、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性領域とを備え、前記第１のクラッド層は、その格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、前記第１のクラッド層では、前記活性領域と前記第１のクラッド層との第１の界面における格子定数は、前記第１の界面と反対側の第２の界面における前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なっており、前記第１のクラッド層は、前記第２の界面において、ＧａＡｓ半導体に整合する格子定数を有する。
【００１１】
この半導体光素子によれば、活性領域と第１のクラッド層との第１の界面における第１導電型半導体の格子定数が、第１の界面の反対側の第２の界面における第１導電型半導体の格子定数と異なるので、ＧａＡｓ半導体の格子定数から独立して活性領域の歪みが設定される。
【００１２】
本発明の半導体光素子は、（ｄ）交互に積層された第１および第２の半導体層を含む第１のＤＢＲ部と、（ｅ）交互に積層された第３および第４の半導体層を含む第２のＤＢＲ部とを更に備え、前記第１のクラッド層、前記活性領域および前記第２のクラッド層は、前記第１のＤＢＲ部と前記第２のＤＢＲ部との間に位置しており、前記第２のクラッド層の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に変化する領域を有しており、前記第２のクラッド層では、前記活性領域と前記第２のクラッド層との第３の界面における格子定数は、前記第３の界面と反対側の第４の界面における格子定数と異なっており、前記第２のクラッド層は、前記第４の界面において、ＧａＡｓ半導体に格子整合する。
【００１３】
この半導体光素子によれば、活性領域と第１のクラッド層との第１の界面における第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が、第２の界面における第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なる。また、活性領域と第２のクラッド層との第３の界面における第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が、第４の界面における第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なる。これ故に、ＧａＡｓ半導体の格子定数から独立して活性領域の歪みが設定される。
【００１４】
本発明に係る半導体光素子では、前記活性領域の前記半導体層は井戸層であり、前記活性領域は障壁層を含み、前記井戸層の半導体の格子定数は前記障壁層の半導体の格子定数と実質的に等しいことが好ましい。この半導体光素子によれば、量子井戸構造の活性領域における格子歪みが低減される。
【００１５】
本発明に係る半導体光素子では、前記第２のクラッド層は、前記第２導電型半導体の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に連続的に減少している領域を有することが好ましい。或いは、本発明に係る半導体光素子では、前記第２のクラッド層は、前記第２導電型半導体の格子定数が前記ＧａＡｓ半導体領域から前記活性領域へ向かう方向に段階的に減少している領域を有することが好ましい。この半導体光素子によれば、第１導電型半導体の格子定数がＧａＡｓ半導体領域から活性領域へ向かう方向に連続的に或いは段階的に減少しているので、活性領域の歪みが低減される。
【００１６】
本発明に係る半導体光素子では、前記第１のクラッド層はＧａＩｎＡｓＰ半導体層を含むことができる。この半導体光素子によれば、ＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いてクラッド層のフォトルミネッセンス波長を活性領域のフォトルミネッセンス波長より小さくできると共に、クラッド層の格子定数を変更できる。また、本発明に係る半導体光素子では、前記第１のクラッド層はＧａＡｓＳｂ半導体層を含むことが好ましい。この半導体光素子によれば、ＧａＡｓＳｂ半導体を用いてクラッド層のフォトルミネッセンス波長を活性領域のフォトルミネッセンス波長より小さくできると共に、クラッド層の格子定数を変更できる。
【００１７】
本発明に係る半導体光素子では、前記第２のクラッド層はＧａＩｎＡｓＰ半導体層を含むことができる。この半導体光素子によれば、ＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いてクラッド層のフォトルミネッセンス波長を活性領域のフォトルミネッセンス波長より小さくできると共に、クラッド層の格子定数を変更できる。また、本発明に係る半導体光素子では、前記第２のクラッド層はＧａＡｓＳｂ半導体層を含むことが好ましい。この半導体光素子によれば、ＧａＡｓＳｂ半導体を用いてクラッド層の屈折率を活性領域の屈折率より小さくできると共に、クラッド層の格子定数を変更できる。
【００１８】
本発明に係る半導体光素子では、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓ半導体であることが好ましい。
【００１９】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明のによれば、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物から成る半導体層を有する活性領域の歪みを調整可能な構造を有する半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体光素子を示す図面である。図１（Ｂ）は、本実施の形態の半導体光素子の第１のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。図１（Ｃ）は、本実施の形態の半導体光素子の第１のクラッド層のバンドギャップの変化を示す図面である。半導体光素子１１は、基板１３と、第１のクラッド層１５と、第２のクラッド層１７と、活性領域１９とを備える。基板１３は、表面を有するＧａＡｓ半導体領域を含む。第１のクラッド層１５は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成り、また基板１３のＧａＡｓ半導体領域上に設けられている。第２のクラッド層１７は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体から成る。活性領域１９は、第１のクラッド層１５と第２のクラッド層１７との間に設けられている。活性領域１９は、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層２１を有している。第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体は、第１の界面１４ａと反対側の第２の界面１４ｂにおいて、ＧａＡｓ半導体に整合する格子定数を有する。活性領域１９と第１のクラッド層１５との第１の界面１４ａにおいて、第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は第１のIII−Ｖ化合物半導体の格子定数に整合している。例えば、第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数ｄ１が第１のIII−Ｖ化合物半導体の格子定数ｄ２に整合しているとき、−０．２％≦（ｄ１−ｄ２）／ｄ２≦＋０．２％が満たされる。
【００２３】
この半導体光素子１１によれば、基板１３と第１のクラッド層１５との第２の界面における第１導電型半導体の格子定数が、活性領域１９と第１のクラッド層１５との第１の界面における第１導電型半導体の格子定数と異なるので、ＧａＡｓ半導体の格子定数から独立して活性領域１９の格子定数が設定される。図１（Ｂ）に示されるように、第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域１９へ向かう方向に増加している。
【００２４】
具体的には、第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３と第１のクラッド層１５との界面において、ＧａＡｓ半導体の格子定数に整合している。第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、活性領域１９と第１のクラッド層１５との界面において、第１のIII−Ｖ化合物半導体の格子定数に整合する。図１（Ｂ）を参照すると、第１のクラッド層１５の格子定数が変化しているけれども、図１（Ｃ）に示されるように第１のクラッド層１５のための第１導電型III−Ｖ化合物半導体のバンドギャップは、活性領域１９のバンドギャップよりも大きい。また、第２のクラッド層１７のための第２導電型III−Ｖ化合物半導体のバンドギャップは、活性領域１９のバンドギャップよりも大きい。第１のクラッド層１５および第２のクラッド層１７により、キャリアは活性領域１９に閉じ込められる。
【００２５】
第１導電型III−Ｖ化合物半導体の屈折率は、活性領域１９の半導体の屈折率よりも小さい。また、第２導電型III−Ｖ化合物半導体の屈折率は、活性領域１９の半導体の屈折率よりも小さい。この半導体光素子１１の構造は、光を閉じ込めることができるので、半導体レーザ、半導体光増幅器、電界吸収型変調器、半導体光導波路といった半導体素子に適用される。
【００２６】
図１（Ｂ）に示されるように、半導体光素子１１では、第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域１９へ向かう方向に変化している。この半導体光素子１１によれば、第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が基板１３から活性領域１９へ向かう方向に連続的に増加しているので、活性領域１９の歪みを低減するために第１のクラッド層１５の格子定数を変更できる。基板から活性層まで連続的に格子定数を変化させることで、その間に極端な歪の発生を抑え、活性層を含めた全ての層で結晶性を保つという利点がある。
【００２７】
再び図１（Ａ）を参照すると、半導体光素子１１は、第２のクラッド層１７上に設けられたコンタクト層２３を含む。コンタクト層２３上には、電極２５が設けられている。基板１３は導電性を有しており、その裏面１３ａには電極２７が設けられている。
【００２８】
半導体光素子１１では、第１のクラッド層１５はＧａＩｎＡｓＰ半導体層を含むことができる。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の組成制御により、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓ両結晶に格子整合させることができる。或いは、第１のクラッド層１３はＧａＡｓＳｂ半導体層を含むことができる。これらの半導体は、ＧａＩｎＡｓＰと同様に、組成制御により基板〜活性層の格子定数に合わせることができ、またそのバンドギャップＥｇも活性層より大きくできる。この半導体光素子１１によれば、ＧａＩｎＡｓＰ半導体およびＧａＡｓＳｂ半導体の少なくともいずれかを用いて第１のクラッド層１５のフォトルミネッセンス波長を活性領域１９の半導体層のフォトルミネッセンス波長より大きくできると共に、クラッド層１５の格子定数を変更できる。
【００２９】
一例の半導体光素子では、基板１３として、例えばＧａＡｓ基板を用いる。第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓ半導体である。第１のクラッド層がＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のクラッド層１５と基板１３と界面において約０．５６５ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のクラッド層１５と活性領域１９と界面において約０．５７ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９である。第１のクラッド層１５のＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、ほぼ２．４×１０−１９ジュール（１．５エレクトロンボルト）であり、また上記のＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きい。
【００３０】
また、第１のクラッド層１５は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層に替えて或いは共にＧａＡｓＳｂ半導体層を含むことができる。さらに、第２のクラッド層１７も、第１のクラッド層１５と同様に、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層およびＧａＡｓＳｂ半導体層の少なくともいずれかを含むことができる。コンタクト層２３としては、例えばＧａＡｓ層を用いることができる。
【００３１】
図２（Ａ）は、第１の実施の形態に係る変形例の半導体光素子を示す図面である。図２（Ｂ）は、変形例の第１のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。図２（Ｃ）は、変形例の第１のクラッド層のバンドギャップの変化を示す図面である。半導体光素子１１ａでは、第１のクラッド層１６の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域１９へ向かう方向に段階的に変化している。この半導体光素子１１ａによれば、第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が基板１３から活性領域１９へ向かう方向に段階的に増加しているので、活性領域１９の歪みが低減される。基板から活性層まで段階的に格子定数を変化させることで、その間に極端な歪の発生を抑え、活性層を含めた全ての層で結晶性を保つという利点がある。また、実際に成長する場合、連続的に組成を変化させながら成長する場合よりも組成制御し易い。
【００３２】
一例の半導体光素子では、基板１３として、例えばＧａＡｓ基板を用いる。第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓ半導体である。第１のクラッド層がＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、基板１３と第１のクラッド層１５との界面から０．５マイクロメートルの位置までの第１のクラッド層１５において約０．５６５ｎｍであり、その組成はＧａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、基板１３と第１のクラッド層１５との界面より０．５マイクロメートルの位置から１マイクロメートルの位置までの第１のクラッド層１５において０．５６７ｎｍであり、その組成はＧａ０．６８Ｉｎ０．３２Ａｓ０．５４Ｐ０．４６である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のクラッド層１５と基板１３との界面より１マイクロメートルの位置から第１のクラッド層１５と活性領域１９との界面までの第１のクラッド層１５において約０．５７ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、ほぼ２．４×１０−１９ジュール（１．５エレクトロンボルト）であり、また上記のＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きい。
【００３３】
図３（Ａ）は、第１の実施の形態に係る別の変形例の半導体光素子を示す図面である。図３（Ｂ）は、別の変形例に係る活性領域の格子定数の変化を示す図面である。図３（Ｃ）は、別の変形例に係る活性領域のバンドギャップの変化を示す図面である。図３（Ａ）に示されるように、半導体光素子１１ｂの活性領域２０ａは量子井戸構造を有する。活性領域２０ａは、井戸層３１および障壁層３３を含んでおり、井戸層３１および障壁層３３は交互に配列されている。活性領域２０ａの井戸層３１は、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体から成り、この井戸層の格子定数は、活性領域２０ａとクラッド層１５、１６との界面におけるクラッド層１５、１６の格子定数に実質的に等しいことが好ましい。
【００３４】
半導体光素子１１ｂでは、井戸層３１の光子定数は障壁層３３の格子定数に実質的に等しい。一例の半導体レーザでは、
井戸層３１：ＧａＩｎＮＡｓ半導体、
厚さ８ｎｍ、Ｅｇ＝０．９５ｅＶ、格子定数０．５７６ｎｍ
（０．９５ｅＶ＝１．５×１０−１９ジュール）
障壁層３３：Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９半導体、
厚さ８ｎｍ、Ｅｇ＝１．５ｅＶ、格子定数０．５７６ｎｍ
である。このＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井構造の半導体レーザは、１．３μｍ帯の光を発生できる。井戸層３１の格子定数と、クラッド層１５，１６の格子定数および障壁層３３の格子定数を整合させることにより、ＧａＩｎＮＡｓ半導体の井戸層３１に加わるストレスが除去または軽減される。これ故に、活性領域の結晶品質が優れたものになるので、半導体光素子の信頼性が向上される。
【００３５】
図４（Ａ）は、第１の実施の形態に係る別の変形例の半導体光素子を示す図面である。図４（Ｂ）は、更なる別の変形例に係る活性領域の格子定数の変化を示す図面である。図４（Ｃ）は、更なる別の変形例に係る活性領域のバンドギャップの変化を示す図面である。図４（Ａ）に示されるように、半導体光素子１１ｃの活性領域２０ｂは量子井戸構造を有する。活性領域２０ｂは、井戸層３５および障壁層３７を含んでおり、井戸層３５および障壁層３７は交互に配列されている。活性領域２０ｂは、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含むIII−Ｖ化合物半導体から成り、この井戸層の格子定数は、活性領域２０ｂとクラッド層１５、１６との界面におけるクラッド層１５、１６の格子定数に実質的に等しいことが好ましい。
【００３６】
半導体光素子１１ｃでは、井戸層３５の格子定数は障壁層３７の格子定数と異なる。一例の半導体レーザでは、
井戸層３５：ＧａＩｎＮＡｓ半導体、
厚さ８ｎｍ、Ｅｇ＝０．９５ｅＶ、格子定数０．５７ｎｍ
障壁層３７：Ｇａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９半導体、
厚さ８ｎｍ、Ｅｇ＝１．５ｅＶ、格子定数０．５６５ｎｍ
である。井戸層３５の格子定数と障壁層３７の格子定数との間の格子不整は、０．０１（１％）程度である。このＧａＩｎＮＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井構造の半導体レーザは、１．３μｍ帯の光を発生できる。井戸層３５の格子定数と、クラッド層１５，１６の格子定数および障壁層３７の格子定数を整合させることにより、井戸層３５に加わるストレスが除去または軽減される。これ故に、活性領域の結晶品質が優れたものになるので、半導体光素子の信頼性が向上される。以上説明したように、半導体光素子１１、１１ａ、１１ｂでは、活性領域のための結晶成長において、活性領域とクラッド層との界面における格子不整に起因する欠陥の発生が低減される。また、活性領域そのものの欠陥発生も低減される。
【００３７】
活性領域における歪み補償は半導体光素子の光学特性を向上する目的で導入されるが、発明者らの知見によれば、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層には、ひずみ補償の導入により信頼性が低下する。歪み補償効果では格子定数がＧａＡｓ基板の格子定数より大きい材料と小さい材料を隣り合わせに使用するので、各層の界面に応力が加わり、この応力による結晶品質の劣化が生じる。一方、本実施の形態に係る半導体光素子では、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を有する活性領域に加わる歪みを調整できるので、半導体光素子に求められる特性に応じて歪み量を変更できる。特に、活性領域に加わる歪み量を充分に小さくすれば、本実施の形態では井戸領域への応力を減少させ、結晶劣化を抑制できる。これ故に、該歪みに起因するストレスが除かれて半導体光素子の寿命が向上される。
【００３８】
半導体光素子１１、１１ａ、１１ｂにおいて、クラッド層１７の格子定数もクラッド層１５，１６のように変化させることができる。クラッド層１７の格子定数は、活性領域から離れるにつれて、連続的に或いは段階的に減少する。第２のクラッド層の格子定数を変更することにより、クラッド層上部と活性領域の格子定数が大きく異なる場合でも結晶性を保ったまま成長が可能である。また、クラッド層の結晶性を保つ利点がある。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図５（Ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体光素子を示す図面である。図５（Ｂ）は、本実施の形態の半導体光素子の第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を示す図面である。図５（Ｃ）は、本実施の形態の半導体光素子の第２のＤＢＲ部を示す図面である。半導体光素子１１ｃは、基板１３と、第１のクラッド層１５と、第２のクラッド層１７と、活性領域２０とを備える。第１のクラッド層１５は、第１の実施の形態と同様に、第１導電型III−Ｖ化合物半導体から成る。活性領域２０は、第１のクラッド層１５と第２のクラッド層１７との間に設けられている。活性領域２０は、ガリウム、砒素および窒素を少なくとも含む第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を有している。半導体光素子１１ｃは、第１のＤＢＲ部４１と、第２のＤＢＲ部４３とを更に備える。第１のＤＢＲ部４１は、交互に積層された第１の半導体層４１ａおよび第２の半導体層４１ｂを含む。第１の半導体層４１ａの屈折率は第２の半導体層４１ｂの屈折率と異なるので、第１のＤＢＲ部４１は回折格子として作用する。第２のＤＢＲ部４３は、交互に積層された第３の半導体層４３ａおよび第４の半導体層４３ｂを含む。第３の半導体層４３ａの屈折率は第４の半導体層４３ｂの屈折率と異なるので、第２のＤＢＲ部４３は回折格子として作用する。第１のクラッド層１５、活性領域２０および第２のクラッド層１７は、第１のＤＢＲ部４１と第２のＤＢＲ部４３との間に位置している。
【００４０】
第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、活性領域２０と第１のクラッド層１５との第１の界面１４ｃにおいて、第１のIII−Ｖ化合物半導体の格子定数に整合する。第１のクラッド層１５の第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、第１の界面１４ｃと反対側の第２の界面１４ｄにおいて、ＧａＡｓ半導体に整合可能な格子定数を有する。第２のクラッド層１７の第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、活性領域２０と第２のクラッド層１７との第３の界面１４ｅにおいて、第１のIII−Ｖ化合物半導体の格子定数に整合する。第３の界面１４ｅと反対側の第４の界面１４ｆにおいて、第２のクラッド層１７の第２導電型III−Ｖ化合物半導体は、例えば第２のクラッド層１７と接する第２のＤＢＲ部であるＧａＡｓ半導体の格子定数に整合する。
【００４１】
この半導体光素子１１ｃの第１のクラッド層１５によれば、第１の界面における第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が、第２の界面における第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なるので、ＧａＡｓ半導体の格子定数から独立して活性領域２０の格子定数が設定される。また、第２のクラッド層１７によれば、第３の界面における第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が、第４の界面における第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数と異なるので、第２のＤＢＲ部４３の半導体の格子定数から独立して活性領域２０の格子定数が設定される。
【００４２】
この半導体光素子１１ｃは、面発光型レーザに好適な構造を有している。活性領域２０によって発生された光は、第１のＤＢＲ部４１と第２のＤＢＲ部４３とによって共振され、これにより発生されたレーザ光Ｌが半導体光素子１１ｃの一方の面から発生される。
【００４３】
第１のＤＢＲ部４１に関して、第１の半導体層４１ａおよび第２の半導体層４１ｂの材料は、それぞれ、ＧａＡｓおよびＡｌ（Ｇａ）Ａｓである。また、同様に、第２のＤＢＲ部４３に関して、第３の半導体層４３ａおよび第４の半導体層４３ｂの材料は、それぞれ、ＧａＡｓおよびＡｌ（Ｇａ）Ａｓである。
【００４４】
例えば、図５（Ａ）に示されるように、活性領域２０は、井戸層４７および障壁層４９を含むことができる。活性領域２０は、第１の実施の形態に示されたような様々な構造を有することができる。
【００４５】
図６（Ａ）は、変形例における第１および第２のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。また、図６（Ｂ）は、別の変形例における第１および第２のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示されるように、基板１３上に設けられた第１のクラッド層１５ｃ、１５ｄの第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域２０へ向かう方向に増加しており、第２のクラッド層１７ｃ、１７ｄの第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域２０へ向かう方向に減少している。
【００４６】
図６（Ａ）に示されるように、この半導体光素子１１ｄでは、第１のクラッド層１５ｃの第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域２０へ向かう方向に連続的に増加している。また、第２のクラッド層１７ｃの第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域２０へ向かう方向に連続的に減少している。この半導体光素子１１ｄによれば、第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が基板１３から活性領域２０へ向かう方向に連続的に増加すると共に第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が基板１３から活性領域２０へ向かう方向に連続的に減少するので、活性領域２０の歪みが低減されると共に面発光型発光素子に好適な構造が提供される。
【００４７】
一例の半導体光素子では、基板１３として、例えばＧａＡｓ基板を用いる。第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓ半導体である。第１のクラッド層１５はＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のクラッド層１５ｃと第１のＤＢＲ部４１との界面において約０．５６５ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のクラッド層１５ｃと活性領域２０と界面において約０．５７ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９である。第１のクラッド層１５ｃのＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、ほぼ２．４×１０−１９ジュール（１．５エレクトロンボルト）であり、また上記の井戸層のＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きい。また、第２のクラッド層１７ｃはＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第２のクラッド層１７ｃと第２のＤＢＲ部４３と界面において約０．５６５ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第２のクラッド層１７ｃと活性領域２０と界面において約０．５７ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９である。第１のクラッド層１５ｃのＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、ほぼ２．４×１０−１９ジュール（１．５エレクトロンボルト）であり、また上記のＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きい。
【００４８】
また、図６（Ｂ）に示されるように、この半導体光素子１１ｅでは、第１のクラッド層１５ｄの第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域２０へ向かう方向に段階的に増加している。また、第２のクラッド層１７ｄの第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数は、基板１３から活性領域２０へ向かう方向に段階的に減少している。この半導体光素子１１ｅによれば、第１導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が基板１３から活性領域２０へ向かう方向に連続的に増加すると共に第２導電型III−Ｖ化合物半導体の格子定数が基板１３から活性領域２０へ向かう方向に段階的に減少するので、活性領域２０の歪みが低減されると共に面発光型発光素子に好適な構造が提供される。
【００４９】
一例の半導体光素子では、基板１３として、例えばＧａＡｓ基板を用いる。第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓ半導体である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のＤＢＲ部４１から０．５マイクロメートルの位置までの第１のクラッド層１５ｄにおいて約０．５６５ｎｍであり、その組成はＧａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のＤＢＲ部４１より０．５マイクロメートルの位置から１マイクロメートルの位置までの第１のクラッド層１５ｄにおいて０．５６７ｎｍであり、その組成はＧａ０．６８Ｉｎ０．３２Ａｓ０．５４Ｐ０．４６である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第１のクラッド層１５ｄと第１のＤＢＲ部４１との界面から１マイクロメートルの位置から第１のクラッド層１５ｄと活性領域２０との界面までの第１のクラッド層１５において約０．５７ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９である。第１のクラッド層１５ｄのＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、ほぼ２．４×１０−１９ジュール（１．５エレクトロンボルト）であり、また井戸層のＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きい。また、第２のクラッド層１７ｄはＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、第２のＤＢＲ部４３と第２のクラッド層１７ｄとの界面から０．５マイクロメートルの位置までの第２のクラッド層１７ｄにおいて約０．５６５ｎｍであり、その組成はＧａ０．８９５Ｉｎ０．１０５Ａｓ０．８１Ｐ０．１９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、上記界面から０．５マイクロメートルの位置と該界面から１マイクロメートルまでの第２のクラッド層１７ｄにおいて０．５６７ｎｍであり、その組成はＧａ０．６８Ｉｎ０．３２Ａｓ０．５４Ｐ０．４６である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体の格子定数は、該界面から１マイクロメートルの位置から第２のクラッド層１７ｄと活性領域２０との界面までの第２のクラッド層１７ｄにおいて約０．５７ｎｍであり、その組成は、Ｇａ０．４９Ｉｎ０．５１Ａｓ０．３１Ｐ０．６９である。ＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、ほぼ２．４×１０−１９ジュール（１．５エレクトロンボルト）であり、また上記のＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きい。
【００５０】
クラッド層の格子定数を一定にした半導体光素子に比べて、第１の実施の形態および第２の実施の形態にかかる半導体光素子では、クラッド層の格子定数を変化させることによって、活性領域に大きな歪みを導入することができる。この活性領域を用いて、１．５５μｍ帯の光を発生する半導体光素子を得ることができる。この半導体光素子は、ＧａＩｎＡｓ歪み量子井戸構造およびＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造を含む。
【００５１】
半導体光素子１１、１１ａ〜１１ｅでは、第１のIII−Ｖ化合物半導体はＧａＩｎＮＡｓ半導体に限定されること無く、ＧａＮＡｓ半導体、ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＧａＩｎＡｓ半導体、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体等も用いることができる。
【００５２】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体光素子を示す図面である。図１（Ｂ）は、本実施の形態の半導体光素子の第１のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。図１（Ｃ）は、本実施の形態の半導体光素子の第１のクラッド層のバンドギャップの変化を示す図面である。
【図２】図２（Ａ）は、第１の実施の形態に係る変形例の半導体光素子を示す図面である。図２（Ｂ）は、変形例の第１のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。図２（Ｃ）は、変形例の第１のクラッド層のバンドギャップの変化を示す図面である。
【図３】図３（Ａ）は、第１の実施の形態に係る別の変形例の半導体光素子を示す図面である。図３（Ｂ）は、別の変形例に係る活性領域の格子定数の変化を示す図面である。図３（Ｃ）は、別の変形例に係る活性領域のバンドギャップの変化を示す図面である。
【図４】図４（Ａ）は、第１の実施の形態に係る別の変形例の半導体光素子を示す図面である。図４（Ｂ）は、別の変形例に係る活性領域の格子定数の変化を示す図面である。図４（Ｃ）は、別の変形例に係る活性領域のバンドギャップの変化を示す図面である。
【図５】図５（Ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体光素子を示す図面である。図５（Ｂ）は、本実施の形態の半導体光素子の第１のＤＢＲを示す図面である。図５（Ｃ）は、本実施の形態の半導体光素子の第２のＤＢＲ部を示す図面である。
【図６】図６（Ａ）は、変形例の第１および第２のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。図６（Ｂ）は、別の変形例の第１および第２のクラッド層の格子定数の変化を示す図面である。
【符号の説明】
【００５４】
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ…半導体光素子、１３…基板、１５、１５ｃ、１５ｄ…第１のクラッド層、１６…第１のクラッド層、１７、１７ｃ、１７ｄ…第２のクラッド層、１９…活性領域、２０、２０ａ、２０ｂ…活性領域、２１…半導体層、２３…コンタクト層、２５…電極、２７…電極、３１…井戸層、３３…障壁層、３５…井戸層、３７…障壁層、４１…第１のＤＢＲ部、４１ａ…第１の半導体層、４１ｂ…第２の半導体層、４３…第２のＤＢＲ部、４３ａ…第３の半導体層、４３ｂ…第４の半導体層、４７…井戸層、４９…障壁層  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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